Биокаталитическая конверсия полисахаридов растительного сырья
К ферментам, катализирующим гидролиз некрахмальных полисахаридов растительного сырья, относятся ферменты целлюлолитического, гемицеллюлазного и пектолитического действия (см. таблицу). Эти препараты снижают вязкость зернового сусла, повышают доступность крахмала для действия амилолитических ферментов, что приводит к увеличению концентрации растворимых углеводов и способствует более интенсивному разжижению и улучшению реологических свойств [2, 27, 50]. Ферментные препараты гемицеллюлазного и целлюлолитического действия необходимы при переработке ржаного и ячменного сырья в производстве спирта, пива и кормов. Эти виды сырья характеризуются повышенным содержанием целлюлозы, гемицеллюлозы и гумми-веществ, приводящим к геле- и студнеобразованию, повышению вязкости сусла и ухудшению его реологических показателей.
Практически все гемицеллюлазные ферменты можно разделить на три группы: β-D-глюканазы, β-ксиланазы и β-глюкозидазы;
К β-D-глюканазам относят группу ферментов, катализирующую расщепление β-глюканов с β-1,2-, β-1,3-, β-1,4- и β-1,6-связями. В эту группу входят 6 энзимов: целлюлаза, или эндо-1,4-β-глюканаза, эндо-1,3-β-глю-каназа, эндо-1,6-β-глюканаза, ламинариназа, лихеназа и эндо-1,2-β-глюканаза.
К β-ксиланазам относится система ферментов, катализирующих расщепление β-глюкозидных связей в β-ксиланах.
β-Глюкозидазы (целлобиазы) - ферменты экзогенного действия, катализируют расщепление с нередуцируемого конца β-1,4-связи в β-D-глюкозидах, высвобождая β-D-глюкозу.
При переработке растительного сырья ферменты гемицеллюлазного действия (β-глюканазы и ксиланазы), катализирующие гидролиз полисахаридов с образованием глюкозы и пентоз, выполняют свою определенную функцию, связанную с их специфичностью и механизмом действия [1, 7].
В результате анализа большого массива экспериментальных данных выявлена зависимость реологических и биохимических характеристик зернового сусла и показателей бражки от концентрации гемицеллюлаз. При этом установлено, что использование ферментных препаратов - источников β-глюканаз -в результате ферментативной деполимеризации глюканов зерна позволяет повысить содержание глюкозы в реакционной среде и тем самым способствовать увеличению выхода целевого продукта. Применение ферментных препаратов ксиланолитического действия обеспечивает снижение вязкости сусла и улучшение его реологических показателей, что способствует интенсификации процесса биоконверсии полимеров зернового сырья.
При создании ресурсосберегающих технологий глубокой переработки зернового сырья необходимо учитывать не только содержание крахмала, но и состав белковых веществ и некрахмальных соединений. Для повышения эффективности биоконверсии полимеров зерна применяют специально подобранные целевые мультиэнзимные композиции, в состав которых наряду с традиционно используемыми амилазами включены комплексы протеиназ и пептидаз, β-глюканаз, ксиланаз, ферментов целлюлолитического действия. Синергизм действия ферментов с различной субстратной специфичностью способствует улучшению реологических показателей зернового сусла, повышению бродильной активности дрожжей, ускорению процессов генерации дрожжей и спиртового брожения, повышению выхода целевого продукта [11, 16, 23, 51].
При переработке плодово-ягодного сырья в сокоморсовой и винодельческой промышленности наиболее широко используют ферменты пектолитического действия, включающие полигалактуроназу, пектинэстеразу и др. [4, 7, 12, 18]. В работах ряда исследователей приводятся данные об эффективности комплексного воздействия пектолитических ферментов с ферментами, катализирующими гидролиз белков и полисахаридов [20, 24, 25]. В результате ферментативной деструкции полимеров плодово-ягодного сырья увеличивается выход соков, повышается их качество и стабильность при хранении.
Эффективность применения ферментных препаратов в производстве пищевых продуктов и биологически активных добавок
Современная концепция здорового питания предполагает повышение пищевой ценности пищевых продуктов путем введения в их состав источников биологически активных веществ [52-55]. Важной составляющей в сбалансированном питании являются белковые вещества (полипептиды, низкомолекулярные пептиды и аминокислоты).
Перспективным источником белка, аминокислотный скор которого приближается к животному (за исключением серосодержащих аминокислот), являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae. В работах многих исследователей показано, что белок дрожжей, состоящий из 466 аминокислотных остатков, характеризуется хорошей сбалансированностью незаменимых аминокислот, при добавлении метионина и цистеина он не уступает белкам мяса [51, 55]. Дрожжи богаты также витаминами, особенно группы В, и минеральными веществами [56]. Кроме того, клеточные стенки дрожжей Saccharomyces cerevisiae содержат полисахариды глюкано-маннановой природы, обладающие высокой сорбционной способностью, на основе которых возможно создание препаратов для регуляции деятельности желудочно-кишечного тракта [57]. Однако пищевая ценность микробной биомассы ограничена малой доступностью содержимого клетки для действия пищеварительных ферментов. Для повышения усвояемости внутриклеточных биологически ценных компонентов разрабатываются различныеспособы обработки дрожжей, из них наиболее перспективным является процесс ферментативной деструкции полимеров микробной клетки с целью выделения белковых веществ и получения белково-аминокислотных обогатителей пищи.
Для получения продуктов заданного структурно-фракционного состава на основе дрожжевой биомассы разработана комплексная ферментативная система, обеспечивающая проведение направленной биокаталитической деструкции субклеточных структур дрожжевой клетки Saccharomyces cerevisiae [51, 58]. В состав ферментативная системы входят ферменты, катализирующие гидролиз полисахаридов клеточных стенок дрожжей (р-глюканаза, маннаназа, протеиназа и хитиназа), и комплекс ферментов протеолитического действия грибного происхождения, содержащий протеиназы и пептидазы, для глубокого гидролиза белковых веществ протоплазмы дрожжевой клетки. В зависимости от степени деструкции субклеточных структур показана возможность получения ферментолизатов биомассы дрожжей с заданным фракционным составом белковых веществ для производства пищевых ингредиентов и продуктов [51, 59, 60].
Таким образом, биотехнология является одним из наиболее перспективных направлений науки, обеспечивающим развитие перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса, ориентированных на производство пищевой продукции и экологию. Проблема полноценного обеспечения пищевых потребностей населения может быть решена с привлечением ценных ингредиентов, получаемых на основе ферментативной конверсии растительного, животного и микробного сырья.
Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 16-16-00104).
Литература
1. Поляков В.А., Римарева Л.В. Теоретические и практические аспекты развития спиртовой, ликероводочной, ферментной, дрожжевой и уксусной отраслей промышленности спиртовой, ликероводочной, ферментной, дрожжевой и уксусной отраслей промышленности : сборник научных трудов. М. : ВНИИПБТ, 2011. 298 с.
2. Поляков В.А., Римарева Л.В. Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов : Сборник научных трудов / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М. : ВНИИПБТ, 2012. 432 с.
3. Жеребцов Н.А., Корнеева О.С., Фараджева Е.Д. Ферменты и их роль в технологии пищевых продуктов. Воронеж : Изд-во ВГУ, 1999. 117 с.
4. Кислухина О.В. Ферменты в производстве пищи и кормов. М. : ДеЛи принт, 2002. 336 с.
5. Серба Е.М., Римарева Л.В., Погоржельская Н.С., Мочалина П.Ю. Ферментативный комплекс для биокаталитической деструкции полимеров микробного и растительного сырья // Acta Naturae. 2016. № S-2. С. 236-237.
6. Nomenclature Committee of the International Union of Biocemistry and Molecular Biology. Enzyme Nomenclature 1992 // Recommendation of the Nomenclature Committee of the International Union of Biocemistry and Molecular Biology on Nomenclature and classification of enzymes. San Diego : Academic Press, 1992. 372 p.
7. Грачева И.М., Кривова А.Ю. Технология ферментных препаратов. М. : Элевар, 2000. 512 с.
8. Варфоломеев С.Д., Пожитков А.Е. Активные центры гидролаз: основные типы структур и механизм катализа // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2000. Т. 41, № 3. С. 147-156.
9. Лысенко Л.А., Немова Н.Н., Канцерова Н.П. Протеолитическая регуляция биологических процессов. Петрозаводск : Карельский научный центр РАН, 2011. 482 с.
10. Комов В.П., Шведова В.Н. Биохимия : учебное пособие. М. : Дрофа, 2004. 638 с.
11. Серба E. M., Оверченко M. Б., Римарева Л.В., Погоржельская Н.С., Давыдкина В.Е., Поляков В.А. Скрининг активных популяций гриба Aspergillus oryzae по способности к синтезу промышленно значимых метаболитов // Микология и фитопатология. 2017. № 1. С. 47-53.
12. Курбатова Е.И., Соколова Е.Н., Борщева Ю.А, Давыдкина В.Е., Римарева Л.В., Поляков В.А. и др. Микромицет Aspergillus foetidus - продуцент комплекса гидролитических ферментов // Микология и фитопатология. 2017. № 1. С. 34-40.
13. Polizeli M.L., Rizzatti A.C.S, Monti R., Terenzy H.F., Jorge J.A., Amorim D.S. Xylanases from fungi: properties and industrial applications // Microbiol. Biotechnol. 2005. Vol. 67. Р. 577-591.
14. Rozhkova A.M., Semenova M.V., Rubtsova E.A., Sereda A.S., Tsurikova N.V., Rimareva L.V.et al. Creation of a heterologous gene expression system on the basis of Aspergillus awamori recombinant strain // Appl. Biochem. Microbiol. 2011. Vol. 47, N 3. P. 279-287.
15. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Трифонова В.В., Игнатова Н.И. Амилолитический комплекс для интенсификации осахаривания и сбраживания крахмалсодержащего сырья // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2002. № 1. С. 32-33.
16. Римарева Л.В., Оверченко М.Б. Использование протеолитического ферментного препарата из Aspergillus oryzae в спиртовом брожении // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2005. № 4. С. 12-14.
17. Кнопова С.И., Савенкова Т.В. Технологические аспекты применения комплексного ферментного препарата в производстве крекера // Микробные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК : сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М. : ВНИИПБТ, 2006. С. 77-81.
18. Козлова Н.А., Гореньков Э.С., Киселева Л.В. Разработка технологии и оборудования для непрерывной ферментной обработки плодовых сокоматериалов// Микробные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК : сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М. : ВНИИПБТ, 2006. С. 242-245.
19. Агаркова Е.Ю., Березкина К.А., Кручинин А.Г., Николаев И.В. Проектирование протеолиза молочных белков для создания функциональных продуктов со сниженной аллергенностью // Материалы Международной научной конференции "Пищевые инновации и биотехнологии". Кемерово : ФГБОУ ВПО "Кем-ТИПП", 2014. С. 21-23.
20. Курбатова Е. И., Римарева Л.В., Трифонова В.В., Воробьева Е.В. Исследование оптимальных условий ферментативной обработки яблочной мезги при производстве полуфабрикатов ликеро-водочных изделий // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2005. № 4. С. 25-30.
21. Матвеева И.В., Белявская И.Г. Биотехнологические основы приготовления хлеба. М. : ДеЛи принт, 2001. 150 с.
22. Поландова Р.Д. Современные технологические решения использования ферментных препаратов в хлебопечении России // Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК : сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М. : Пищепромиздат, 2004. С. 308-311.
23. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Серба Е.М., Игнатова Н.И Влияние ферментативных систем на биохимический состав зернового сусла и культуральные свойства осмофильной расы спиртовых дрожжей // Производство спирта и ликероводочных изделий. 2013. № 1. С. 18-20.
24. Римарева Л.В., Курбатова Е.И. Патент на изобретение № 2305463 "Мультиэнзимная композиция для получения осветленного яблочного сока и способ получения осветленного яблочного сока". 2006.
25. Соколова Е.Н., Курбатова Е.И., Римарева Л.В., Давыдкина В.Е., Борщева Ю.А. Биотехнологические аспекты направленной ферментативной деструкции клеточных стенок растительного сырья для получения экстрактов с повышенным содержанием биологически ценных веществ в качестве компонентов функциональных напитков // Вопр. питания. 2016. Т. 85, № 2. С. 151-152.
26. Григорьев М.А., Серба Е.М., Оверченко М.Б. Исследование процесса ферментации зерновой композиции для конструирования продуктов питания // Хранение и переработка сельхозсырья. 2009. № 2. С. 61-63.
27. Римарева Л.В. Совершенствование биотехнологических процессов в спиртовом производстве с использованием ферментативного катализа // Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК : сборник / под ред. В.А. Полякова, Л.В. Римаревой. М. : Пищепромиздат, 2004. С. 195-208.
28. Семенова М.В., Зоров И.Н., Синицын А.П., Окунев О.Н., Барышникова Л.М., Цурикова Н.В. Состав и свойства ферментного комплекса, секретируемого высокопродуктивными мутантными штаммами Aspergillus awamori, используемыми в спиртовой промышленности // Микробные биокатализаторы для перерабатывающих отраслей АПК : сборник. М. : ВНИИПБТ, 2006. С. 77-81.
29. Шурхно Р.А., Агзамов Р.З. Основы биоконверсии растительного сырья : учебно-методическое пособие. Казань : Изд-во КНИТУ, 2014. 100 с.
30. Norouzian D., Akbarzadeh А., Scharer J.M., Young М.М. Fungal glucoamylases // Biotech. Adv. 2006. Vol. 24. P. 80-85.
31. Харитонов В.Д., Будрик В.Г., Агаркова Е.Ю., Кручинин А.Г., Березкина К.А., Попов В.О. и др. Рациональный дизайн биокаталитической конверсии молочных белков для создания продуктов со сниженной аллергенностью // Материалы Международной научно-практической конференции "Биотехнология и качество жизни". М., 2014. С. 334-335.
32. Серба Е.М., Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Курбатова Е.И., Рачков К.В., Игнатова Н.И. и др. Получение ферментолизатов мицелиальной биомассы для создания пищевых и кормовых добавок // Пищ. пром-сть. 2016. № 6. С. 20-24.
33. Серба Е.М., Оверченко М.Б., Давыдкина В.Е., Шелехова Н.В., Римарева Л.В., Поляков В.А. Научно-практические аспекты получения БАД на основе конверсии вторичных биоресурсов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2015. № 2. С. 44-50.
34. Серба Е.М., Оверченко М.Б., Погоржельская Н.С., Курбатова Е.И., Поляков В.А., Римарева Л.В. Зависимость степени деструкции белковых веществ микробной биомассы от состава протеолитического комплекса // Вестн. Рос. сельскохозяйственной науки. 2015. № 2. С. 48-51.
35. Поляков В.А., Римарева Л.В., Курбатова Е. И., Соколова Е.Н., Борщева Ю.А., Тесля А.В. Получение белковых обогатителей пищи на основе ферментативной деструкции белково-полисахаридного комплекса клеточных стенок дрожжей // Пищ. промсть. 2012. № 11. С. 42-44.
36. Чурсин В.И. Биокатализ в процессах обработки кожевенного сырья и коллагенсодержащих материалов // Микробные биокатализаторы и перспективы развития ферментных технологий в перерабатывающих отраслях АПК : сборник. М. : Пищепромиздат, 2004. С. 137-144.
37. Шестаков И.С, Моисеева Л.В. Миронова Т.Ф. Ферменты в кожевенном и меховом производстве. М. : Легпромбытиздат, 1990. 128 с.
38. Guo Z., Xu X. New opportunity for enzymatic modification of fats and oils with industrial potentials // Org. Biomol. Chem. 2005. Vol. 3, N 14. P. 2615-2619.
39. Gupta R., Gupta N., Rathi P. Bacterial lipases: an overview of production, purification and biochemical properties // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2005. Vol. 64, N 6. P. 763-781.
40. Schrag, J. D., and M. Cygler. Lipases and alpha-beta hydrolase fold // Methods Enzymol. 1997. Vol. 284. P. 85-107.
41. Лукин Н.Д., Бородина З.М., Папахин А.А., Шаталова О.В., Кривандин А.В. Исследование действия амилолитических ферментов на нативный крахмал различных видов в гетерогенной среде // Достижения науки и техники АПК. 2013. № 10. С. 62-64.
42. Римарева Л.В., Оверченко М. Б., Серба Е.М., Трифонова В.В. Сравнительная характеристика микробных протеаз по степени гидролиза белковых субстратов // Приклад. биохим. 1997. Т. 33, № 1. С. 43-48.
43. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Соколова Е.Н., Серба Е.М., Игнатова Н.И., Медриш М.Э. и др. Ферменты протеолитического действия и их биокаталитические особенности при конверсии зернового сырья // Вестн. Рос. сельскохозяйственной науки. 2016. № 6. С. 62-64.
44. Аксенова Л.М., Римарева Л.В. Направленная конверсия белковых модулей пищевых продуктов животного и растительного происхождения // Вестн. РАН. 2017. Т. 87, № 4. С. 355-357.
45. Jorgensen A.L.W., Juul-Madsen H.R., Stagsted J. Colostrum and bioactive colostral peptides differentially modulate the innate immune response of intestinal epithelial cells // J. Pept. Sci. 2010. Vol. 16. P. 21-30.
46. Sarmadi B.H., Ismail А. Antioxidative peptides from food proteins: a review // Peptides. 2010. Vol. 31. P. 1949-1956.
47. Зобкова З.С., Фурсова Т.П., Зенина Д.В., Римарева Л.В., Серба Е.М., Курбатова Е.И. и др. Влияние способа внесения трансглутаминазы на структурно-механические свойства йогурта и протеолитическую активность заквасочных культур // Хранение и переработка сельхозсырья. 2014. № 3. С. 28-32.
48. Зобкова З.С., ФурсоваТ.П., Зенина Д.В.,Гаврилина А.Д., Шелагинова И.Р., Шефов Д.А. и др. Исследование влияния условий применения препаратов трансглутаминазы на качество сметаны // Переработка молока. 2015. № 5. С. 38-42.
49. Clarke D.D., Mycek M.J., Neidle A., Waelsch H. The incorporation of amines into proteins // Arch. Biochem. Biophys. 1959. Vol. 79. P. 338-354.
50. Середа А.С., Игнатова Н.И., Оверченко М.Б., Цурикова Н.В., Римарева Л.В., Рожкова A.M. и др. Исследование гидролитической способности комплексных ферментных препаратов, полученных на основе высокоэффективных рекомбинантных штаммов Aspergillus awamori, по отношению к полисахаридам зернового сырья // Хранение и переработка сельхозсырья. 2011. № 3. С. 54-56.
51. Серба Е.М., Поляков В.А. Биотехнологические основы комплексной переработки зернового сырья и вторичных биоресурсов в этанол и белково-аминокислотные добавки. М. : ВНИИПБТ. 2015. 133 с.
52. Спиричев В.Б. Научные принципы обогащения пищевых продуктов микронутриентами // Вопр. питания. 2000. № 4. С. 13-19.
53. Тутельян В.А. Биологически активные добавки к пище как неотъемлемый элемент здорового оптимального питания // Сборник научных трудов. 2002. № 1. С. 4-9.
54. Лавинский Х.Х., Дорошевич В.И., Бацукова Н.Л., Замбржицкий О.Н. Научные основы коррекции статуса питания // Изв. Нац. акад. наук Беларуси. Серия медицинских наук. 2006. № 2. С. 47-55.
55. Римарева Л.В. Теоретические и практические основы биотехнологии дрожжей : Учебное пособие. М. : ДеЛи принт, 2010. 256 с.
56. Римарева Л.В., Оверченко М.Б., Игнатова Н.И., Шелехова Н.В., Серба Е.М., Кривова А.Ю. Исследование внутриклеточного ионного состава биомассы дрожжей Saccharomyces cerevisiae // Рос. сельскохозяйственная наука. 2017. № 1. С. 51-54.
57. Kurbatova E.I., Serba E.M., Rimareva L.V., Borshcheva Y.A., Sokolova E.N., Fursova N.A.et al. Enhancement of the adsorptive and antimicrobial properties of the yeast cell walls by enzymatic processing // RJPBCS (Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences). 2017. Vol. 8, N 3. P. 2133-2138.
58. Серба Е.М., Оверченко М.Б., Давыдкина В.Е., Шелехова Н.В., Римарева Л.В., Поляков В.А. Научно-практические аспекты получения БАД на основе конверсии вторичных биоресурсов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2015. № 2. С. 44-50.
59. Серба Е.М., Римарева Л.В., Курбатова Е.И., Волкова Г.С., Поляков В.А., Варламов В.П. Исследование процесса ферментативного гидролиза биомассы дрожжей для создания пищевых ингредиентов с заданным фракционным составом // Вопр. питания. 2017. № 2. С. 76-84.
60. Поляков В.А., Римарева Л.В., Серба Е.М., Погоржельская Н.С., Рачков К.В. Биологически активные добавки микробного происхождения как фактор, формирующий функциональные свойства пищевых продуктов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2013. № 12. С. 43-47.